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Netty 框架学习

Java 额外说明

收录于:97天前

前面介绍完 Netty 相关一些理论,下面从功能特性、模块组件、运作过程来介绍 Netty 的架构设计。

功能特性

7.2 模块组件

Netty 功能特性如下:

1)传输服务:支持 BIO 和 NIO;

2)容器集成:支持 OSGI、JBossMC、Spring、Guice 容器;

3)协议支持:HTTP、Protobuf、二进制、文本、WebSocket 等一系列常见协议都支持。还支持通过实行编码解码逻辑来实现自定义协议;

4)Core 核心:可扩展事件模型、通用通信 API、支持零拷贝的 ByteBuf 缓冲对象。

7.2 模块组件

【Bootstrap、ServerBootstrap】:

Bootstrap 意思是引导,一个 Netty 应用通常由一个 Bootstrap 开始,主要作用是配置整个 Netty 程序,串联各个组件,Netty 中 Bootstrap 类是客户端程序的启动引导类,ServerBootstrap 是服务端启动引导类。

【Future、ChannelFuture】:

正如前面介绍,在 Netty 中所有的 IO 操作都是异步的,不能立刻得知消息是否被正确处理。

但是可以过一会等它执行完成或者直接注册一个监听,具体的实现就是通过 Future 和 ChannelFutures,他们可以注册一个监听,当操作执行成功或失败时监听会自动触发注册的监听事件。

【Channel】:

Netty 网络通信的组件,能够用于执行网络 I/O 操作。Channel 为用户提供:

1)当前网络连接的通道的状态(例如是否打开?是否已连接?)

2)网络连接的配置参数 (例如接收缓冲区大小)

3)提供异步的网络 I/O 操作(如建立连接,读写,绑定端口),异步调用意味着任何 I/O 调用都将立即返回,并且不保证在调用结束时所请求的 I/O 操作已完成。

4)调用立即返回一个 ChannelFuture 实例,通过注册监听器到 ChannelFuture 上,可以 I/O 操作成功、失败或取消时回调通知调用方。

5)支持关联 I/O 操作与对应的处理程序。

不同协议、不同的阻塞类型的连接都有不同的 Channel 类型与之对应。

下面是一些常用的 Channel 类型:

NioSocketChannel,异步的客户端 TCP Socket 连接。

NioServerSocketChannel,异步的服务器端 TCP Socket 连接。

NioDatagramChannel,异步的 UDP 连接。

NioSctpChannel,异步的客户端 Sctp 连接。

NioSctpServerChannel,异步的 Sctp 服务器端连接,这些通道涵盖了 UDP 和 TCP 网络 IO 以及文件 IO。

【Selector】:

Netty 基于 Selector 对象实现 I/O 多路复用,通过 Selector 一个线程可以监听多个连接的 Channel 事件。

当向一个 Selector 中注册 Channel 后,Selector 内部的机制就可以自动不断地查询(Select) 这些注册的 Channel 是否有已就绪的 I/O 事件(例如可读,可写,网络连接完成等),这样程序就可以很简单地使用一个线程高效地管理多个 Channel 。

【NioEventLoop】:

NioEventLoop 中维护了一个线程和任务队列,支持异步提交执行任务,线程启动时会调用 NioEventLoop 的 run 方法,执行 I/O 任务和非 I/O 任务:

I/O 任务,即 selectionKey 中 ready 的事件,如 accept、connect、read、write 等,由 processSelectedKeys 方法触发。

非 IO 任务,添加到 taskQueue 中的任务,如 register0、bind0 等任务,由 runAllTasks 方法触发。

两种任务的执行时间比由变量 ioRatio 控制,默认为 50,则表示允许非 IO 任务执行的时间与 IO 任务的执行时间相等。

【NioEventLoopGroup】:

NioEventLoopGroup,主要管理 eventLoop 的生命周期,可以理解为一个线程池,内部维护了一组线程,每个线程(NioEventLoop)负责处理多个 Channel 上的事件,而一个 Channel 只对应于一个线程。

【ChannelHandler】:

ChannelHandler 是一个接口,处理 I/O 事件或拦截 I/O 操作,并将其转发到其 ChannelPipeline(业务处理链)中的下一个处理程序。

ChannelHandler 本身并没有提供很多方法,因为这个接口有许多的方法需要实现,方便使用期间,可以继承它的子类:

ChannelInboundHandler 用于处理入站 I/O 事件。

ChannelOutboundHandler 用于处理出站 I/O 操作。

或者使用以下适配器类:

ChannelInboundHandlerAdapter 用于处理入站 I/O 事件。

ChannelOutboundHandlerAdapter 用于处理出站 I/O 操作。

ChannelDuplexHandler 用于处理入站和出站事件。

【ChannelHandlerContext】:

保存 Channel 相关的所有上下文信息,同时关联一个 ChannelHandler 对象。

【ChannelPipline】:

保存 ChannelHandler 的 List,用于处理或拦截 Channel 的入站事件和出站操作。

ChannelPipeline 实现了一种高级形式的拦截过滤器模式,使用户可以完全控制事件的处理方式,以及 Channel 中各个的 ChannelHandler 如何相互交互。

下图引用 Netty 的 Javadoc 4.1 中 ChannelPipeline 的说明,描述了 ChannelPipeline 中 ChannelHandler 通常如何处理 I/O 事件。

I/O 事件由 ChannelInboundHandler 或 ChannelOutboundHandler 处理,并通过调用 ChannelHandlerContext 中定义的事件传播方法。

例如:ChannelHandlerContext.fireChannelRead(Object)和 ChannelOutboundInvoker.write(Object)转发到其最近的处理程序。

入站事件由自下而上方向的入站处理程序处理,如图左侧所示。入站 Handler 处理程序通常处理由图底部的 I/O 线程生成的入站数据。

通常通过实际输入操作(例如 SocketChannel.read(ByteBuffer))从远程读取入站数据。

出站事件由上下方向处理,如图右侧所示。出站 Handler 处理程序通常会生成或转换出站传输,例如 write 请求。

I/O 线程通常执行实际的输出操作,例如 SocketChannel.write(ByteBuffer)。

在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应,它们的组成关系如下:

 

一个 Channel 包含了一个 ChannelPipeline,而 ChannelPipeline 中又维护了一个由 ChannelHandlerContext 组成的双向链表,并且每个 ChannelHandlerContext 中又关联着一个 ChannelHandler。

入站事件和出站事件在一个双向链表中,入站事件会从链表 head 往后传递到最后一个入站的 handler,出站事件会从链表 tail 往前传递到最前一个出站的 handler,两种类型的 handler 互不干扰。

8、Netty框架的工作原理

典型的初始化并启动 Netty 服务端的过程代码如下:

publicstaticvoidmain(String[] args) {

       // 创建mainReactor

       NioEventLoopGroup boosGroup = newNioEventLoopGroup();

       // 创建工作线程组

       NioEventLoopGroup workerGroup = newNioEventLoopGroup();

 

       finalServerBootstrap serverBootstrap = newServerBootstrap();

       serverBootstrap

                // 组装NioEventLoopGroup

               .group(boosGroup, workerGroup)

                // 设置channel类型为NIO类型

               .channel(NioServerSocketChannel.class)

               // 设置连接配置参数

               .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)

               .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)

               .childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)

               // 配置入站、出站事件handler

               .childHandler(newChannelInitializer<NioSocketChannel>() {

                   @Override

                   protectedvoidinitChannel(NioSocketChannel ch) {

                       // 配置入站、出站事件channel

                       ch.pipeline().addLast(...);

                       ch.pipeline().addLast(...);

                   }

   });

 

       // 绑定端口

       intport = 8080;

       serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {

           if(future.isSuccess()) {

               System.out.println(newDate() + ": 端口["+ port + "]绑定成功!");

           } else{

               System.err.println("端口["+ port + "]绑定失败!");

           }

       });

}

基本过程描述如下:

1)初始化创建 2 个 NioEventLoopGroup:其中 boosGroup 用于 Accetpt 连接建立事件并分发请求,workerGroup 用于处理 I/O 读写事件和业务逻辑。

2)基于 ServerBootstrap(服务端启动引导类):配置 EventLoopGroup、Channel 类型,连接参数、配置入站、出站事件 handler。

3)绑定端口:开始工作。

结合上面介绍的 Netty Reactor 模型,介绍服务端 Netty 的工作架构图:

 

Server 端包含 1 个 Boss NioEventLoopGroup 和 1 个 Worker NioEventLoopGroup。

NioEventLoopGroup 相当于 1 个事件循环组,这个组里包含多个事件循环 NioEventLoop,每个 NioEventLoop 包含 1 个 Selector 和 1 个事件循环线程。

每个 Boss NioEventLoop 循环执行的任务包含 3 步:

1)轮询 Accept 事件;

2)处理 Accept I/O 事件,与 Client 建立连接,生成 NioSocketChannel,并将 NioSocketChannel 注册到某个 Worker NioEventLoop 的 Selector 上;

3)处理任务队列中的任务,runAllTasks。任务队列中的任务包括用户调用 eventloop.execute 或 schedule 执行的任务,或者其他线程提交到该 eventloop 的任务。

每个 Worker NioEventLoop 循环执行的任务包含 3 步:

1)轮询 Read、Write 事件;

2)处理 I/O 事件,即 Read、Write 事件,在 NioSocketChannel 可读、可写事件发生时进行处理;

3)处理任务队列中的任务,runAllTasks。

其中任务队列中的 Task 有 3 种典型使用场景:

① 用户程序自定义的普通任务:

ctx.channel().eventLoop().execute(newRunnable() {

   @Override

   publicvoidrun() {

       //...

   }

});

② 非当前 Reactor 线程调用 Channel 的各种方法:

例如在推送系统的业务线程里面,根据用户的标识,找到对应的 Channel 引用,然后调用 Write 类方法向该用户推送消息,就会进入到这种场景。最终的 Write 会提交到任务队列中后被异步消费。

③ 用户自定义定时任务:

ctx.channel().eventLoop().schedule(newRunnable() {

   @Override

   publicvoidrun() {

 

   }

}, 60, TimeUnit.SECONDS);

 

现在推荐使用的主流稳定版本还是 Netty4,Netty5 中使用了 ForkJoinPool,增加了代码的复杂度,但是对性能的改善却不明显,所以这个版本不推荐使用,官网也没有提供下载链接。

Netty 入门门槛相对较高,是因为这方面的资料较少,并不是因为它有多难,大家其实都可以像搞透 Spring 一样搞透 Netty。

在学习之前,建议先理解透整个框架原理结构,运行过程,可以少走很多弯路。

转自:https://www.cnblogs.com/imstudy/p/9908791.html

 

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